mini|Kalksteinbruch im Strossenbau in Brilon-Rösenbeck (Sauerland), Gesteinsabbau durch Sprengtechnik mini|Abbauwände in einem Carrara-Marmorsteinbruch (Toskana), Gesteinsabbau durch Seilsägetechnik mini|Eingang in einen unterirdischen Carrara-Marmorsteinbruch (Toskana), Gesteinsabbau (Höhlung) durch Schrämmketten-Technik mini|Der antike Steinbruch von Syrakus. mini|Römischer Kalksteinbruch am Fuße des Schweizer Jura (Kanton Waadt), Gesteinsabbau durch Ausschroten und Abkeilen der Rohblöcke mini|Plattengewinnung in einem Schieferbruch in Lehesten (Thüringen), Gesteinsabbau durch manuelles Abspalten der Rohplatten
Ein Steinbruch dient der Gewinnung von Festgesteinen aus einer Gesteins-Lagerstätte. Bei Lockergesteinen spricht man hingegen von Sand- oder Kiestagebau bzw. Kiesgrube.
Der Abbau kann sich in die Tiefe und Breite richten oder bei Hanglage horizontal betrieben werden. Die Mehrzahl sind Über-Tage-Steinbrüche, auch als offene Steinbrüche bezeichnet. In besonderen Fällen wird das Gestein in unterirdischen Steinbrüchen abgebaut.Günther Mehling: Naturstein-Lexikon. Callwey Verlag, München 1993, S. 609 Schlagwort: Unterirdischer Steinbruch, ISBN 3-7667-1054-0.Raymond Perrier: Les roches ornementales. Edition Pro Roc, Ternay 2004, ISBN 2-9508992-6-9, S. 443–447.Laurent Poupard, Annick Richard: Marbres en Franche-Comté. DRAC, Besançon 2003, ISBN 2-9507436-4-1, S. 177–179.Frederick Bradley: Guida alle Cave di Marmo di Carrara. S. Marco Litotipo, Lucca 1991, S. 52.G. Richard Lepsius: Griechische Marmorstudien. Verlag der Königlichen Akademie der Wissenschaften, Berlin 1890, S. 44. Viele Steinbrüche dienen der Gewinnung von Massenrohstoffen für den Verkehrswegebau und als Zulieferer von Zuschlagstoffen für die verarbeitende Industrie. Mengenmäßig erst weit danach kommen Steinbrüche für Werksteine (flächig formatierte Werkstücke).
Geschichte mini|links|Steinbruch des Heilbronner Sandsteins um 1835
Die Ägypter brachen vor allem Weichgestein, wie Kalkstein und Sandstein in Steinbrüchen, die sich in unmittelbarer Nähe der Bauwerke befanden. Kalkstein wurde für alle großen Pyramiden des alten Reiches wie die Cheops-Pyramide, die Chephren-Pyramide und die Mykerinos-Pyramide in Gizeh verwendet. Steinbrüche für Hartgestein waren am Mons Claudianus und Mons Porphyrites in Ägypten. Ein bemerkenswertes Beispiel für einen altägyptischen Steinbruchbetrieb bildet der Unvollendete Obelisk von Assuan. Der große Felsentempel von Ramses II. in Abu Simbel wurde in Sandstein eingeschlagen.
Die Griechen brachen in der Antike vor allem Marmore und selten Sand- oder Kalkstein ab. Beispielsweise bauten sie die Akropolis mit Pentelischem Marmor auf, dessen Steinbruch sich unweit von Athen befand. Sie transportierten aber auch große Einzelstücke wie die Kouroi auf Schiffen.
Die Römer brachen vor allem Weichgestein, wie den Römischen Travertin aus Tivoli und vulkanische Tuffe aus dem Raum Orvieto; bis ins 2. Jahrhundert bezogen sie vor allem Marmor von der griechischen Insel Paros und verwendeten erst später für wertvollere Arbeiten Carrara-Marmor. Sie begannen aber auch, Marmor und Kalkstein zum Zwecke der Kalkherstellung (Kalkbrennen) abzubauen.
In allen Gebieten des Römischen Reichs hatte sich ein hoher Bedarf an qualitätsvollen Baumaterialien für den Hoch- und Verkehrswegebau entwickelt. Daher verbreiteten sich die bereits spezialisierten Vorgehensweisen zur Aufsuchung, Gewinnung, Verarbeitung und zum Transport geeigneter Gesteine innerhalb Europas sowohl südlich als auch nördlich der Alpen. Zu dieser Zeit waren Steinbruchsaktivitäten eine staatliche Angelegenheit. Ein Procurator hatte die Oberaufsicht über das Geschehen. Die Machinatores überwachten als Aufseher die gesamten Arbeiten in den jeweiligen Steinbrüchen. Zur Gewinnung der Rohblöcke im Abbaubereich bedurfte es fachlich erfahrener Gruppenleiter, die als Caesores bezeichnet wurden. Zur Loslösung eines Rohblockes war es üblich, dessen Unterseite im Fels durch einen tiefen V-förmigen Einschnitt freizulegen. Mit Keilen in Kerbnuten oder entlang natürlicher kluftartiger Sedimentationsebenen oder anderer Lagerfugen (Trennflächengefüge) wurde schließlich der Rohblock durch die Marmorari in mühevoller und kräftezehrender Weise gelöst. Der Abtransport innerhalb des Steinbruchs erfolgte auf Metallkugeln, indem man den Block mittels Hebeleisen schob und/oder mit Seilen zog. Danach brachten die Quadratores den Block auf das für die weitere Verwendung gewünschte Format. Wenn es auf eine Plattenerzeugung ankam, hatten die Sectores serrarii die erforderlichen Sägearbeiten zu erledigen.Antonio Consiglio: Technischer Führer für den rationellen Einsatz von Marmor. Milano 1972, S. 2.
Steinbrüche im deutschen Gebiet wurden in größerem Maßstab erst seit der Römerzeit betrieben. Wichtige römische Steinbrüche waren etwa das Felsenmeer im Odenwald und der Kriemhildenstuhl in der Pfalz. Erst mit der Zeit der Romanik begann in Deutschland ein Steinbruchbetrieb zur Erstellung der kirchlichen Bauten aus Sand- und Kalkstein in größerem Umfang.
In Österreich zählt der Römersteinbruch St. Margarethen zu den ältesten Steinbrüchen, der bereits beim Bau von Carnuntum in Betrieb war. Auf dem Gebiet der Schweiz sind mehrere Gewinnungsorte, die der römischen Baukultur dienten, bekannt. Dazu zählen der Solothurnerstein, ein Kalkstein mit weißlicher, grauer oder gelblicher Farbe, der Pierre jaune aus der Umgebung von Neuenburg, der besonders in Aventicum als Baustein diente sowie der hellbeige bis gelbbräunliche Kalkstein von La raisse zwischen Concise und Vaumarcus.Francis de Quervain: Die nutzbaren Gesteine der Schweiz. Kümmerly & Frey, Bern 1969, S. 172, 179, 180. In Kroatien befand sich unweit der Stadt Trogir der römische Steinbruch Sutilija, der der Gewinnung von Kalkstein diente.
Mit der Verbreitung des Schwarzpulvers in Europa im Verlaufe des späten Mittelalters begann sich auch die Arbeit in den Steinbrüchen zu ändern. Damit war eine Erleichterung der sonst sehr schweren Arbeiten verbunden, die allerdings neue nachteilige Erscheinungen mit sich brachte. Bei zu starker Dosierung erzeugte die Druckwelle der Explosion in das Gestein tief eindringende Risse, die einer effektiven Verwendung des Gesteins entgegenwirkten und erhebliche Schuttmassen. Für die Gewinnung von Bruchsteinen ist das kaum nachteilig, aber eine Blockgewinnung für Säge- und Hausteine wird damit weitestgehend nutzlos. Erst nach 1930 setzte sich die bisher zur Vorbereitung von Sprenglöchern oder vorbereitenden Arbeiten verwendeten Druckluftbohrer für das Abbohrverfahren langsam durch.
Für die Werksteinbrüche änderte sich die Arbeitsweise ab etwa 1889, als zuerst in belgischen Steinbrüchen durch Wilmart die Seilsäge verbreitete Nutzung fand und sich diese Technik um 1895 in den Steinbruchsgebieten von Carrara, bei Saillon im Kanton Wallis, in den hessisch-nassauischen Lahnmarmorbrüchen sowie bei Euville und vielen anderen Orten durchsetzte.Otto Herrmann: Steinbruch-Industrie und Steinbruch-Geologie. Verlag Gebrüder Borntraeger, Berlin 1916, S. 227 (1899, S. 164). Auch norwegische Steinbruchsunternehmen setzten seit den 1890er Jahren diese damals fortschrittliche Technologie ein und zwar in den Marmorbrüchen von Furuli und Løvgafl bei Fauske.Johan Herman Lie Vogt: Norsk marmor. (Norges geologiske undersøgelse. No. 22), H. Aschehoug & Co., Kristiania 1897, S. 147–149.
Gesteinsmerkmale, Exploration und Wirtschaftlichkeit Bevor erste Erkundungen einer Lagerstätte zur Naturwerkstein-Gewinnung in Deutschland durchgeführt werden, sollten zunächst die Materialeigenschaften entsprechend der jeweils geltenden DIN EN Normen untersucht werden, hierfür werden Probeentnahmen vorgenommen. Die entnommenen Prüfkörper sollten möglichst bergfrisch sein, weil bei einer Druckfestigkeitsprüfung von Gesteinen nach längerer Verweildauer höhere Druckfestigkeitswerte festgestellt werden. Die Prüfkörper sollten repräsentativ für die gesamte Lagerstätte sein, wobei die Anforderungen und Größen an die Prüfkörper sich nach dem Gefüge der Gesteine richten. Bedeutsame Kriterien an das abzubauende Gestein sind Mineralgehalt, Korngrößen und der Gehalt an für Naturstein problematischen Mineralen beispielsweise Tonminerale, Pyrit und Sodalith. Messungen zum Bruch- und Spaltbarkeitsverhalten, zur Porosität, Verwitterung, Wasseraufnahme, Biegefestigkeit, Abriebfestigkeit und Stoßverhalten kommen hinzu.Christian Singewald: Naturwerkstein: Exploration und Gewinnung: Bewertung - Verfahren - Kosten. Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln 1992. ISBN 3-481-00521-0. S. 30–32
Vor jeder bergbaulichen Tätigkeit sollte eine Exploration durchgeführt werden, die bergbauliche und geologische Erkenntnisse gewinnt. Der Umfang des Abraums und des Nutzgesteins sind hierbei wesentliche Faktoren. Zur Untersuchung des Abraumvolumens können mehrere Methoden angewendet werden wie Schürfen, Bohrungen, Geoelektrik, Geomechanik und Gravimetrie. Die Kosten für die Untersuchung einer Lagerstätte können erheblich sein. Üblicherweise werden in Deutschland meist Schürfen und Kernbohrungen zur Erkundung einer Lagerstätte angewendet, geophysikalische Untersuchungen kaum.Christian Singewald: Naturwerkstein: Exploration und Gewinnung: Bewertung - Verfahren - Kosten. Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln 1992. ISBN 3-481-00521-0. S. 21/27 Dies hängt auch damit zusammen, dass neue Lagerstätten meist neben vorhandenen erschlossen werden.
Neben den oben genannten Gesteinsmerkmalen und der erforderlichen Exploration spielen wirtschaftliche Überlegungen und Folgekosten bei der Neuanlage und im laufenden Betrieb eines Steinsbruchs eine Rolle, wobei Kosten- und Nutzenüberlegungen hineinspielen. Für die Kostenseite spielen das Geländeprofil (Hang- oder ein Plateauaufschluss), die Lagerstättengeometrie (die räumliche Verteilung und Struktur der wirtschaftlich interessanten Gesteinseinheit), die zum Einsatz kommende Gewinnungs- und Fördertechnik, die beabsichtigte Jahresförderung (auch bezogen auf die gesamte Abbauzeit in Jahren), die künftige Stapelung des Abraums und die nach Schließung des Steinbruchs erforderlich werdende Rekultivierung. Die konkrete Lage der beabsichtigten Abbaustelle im Geländeprofil hat Auswirkungen auf betriebswirtschaftliche Überlegungen, da der Abtransport des Massengutes und des Abraums über anzulegende und sichere Transportwege gewährleistet sein muss. Einen weiteren wichtigen Kostenaspekt bildet die Entfernung der Deckschichten, die aus mineralisch-organisch zusammengesetzten Böden sowie den Verwitterungszonen der Gesteinslagerstätte bestehen. Die hierbei unvermeidlichen Abtragungsarbeiten sind bei Neuerschließung erstmals und im fortschreitenden Betrieb kontinuierlich vorzunehmen. Je nach Neigungsgrad der Hanglage ergeben sich mehr oder weniger aufwändige Sicherungsarbeiten im Hangenden, die einen beachtlichen Anteil im Betriebsergebnis darstellen. Für die Abraumbeseitigung gibt es mehrere Technologien. Einerseits werden lediglich Bagger zur Aufnahme der lockeren Deckschichten eingesetzt, andererseits müssen nicht verwendungsfähige Gesteinsschichten zuvor durch Flächensprengungen aufnahmefähig gemacht werden. Bei steiler Hanglage kann eine Terrassierung des Geländes oberhalb der Gewinnungsstellen in Betracht gezogen werden. Nachteilig wirkt es sich aus, wenn im Produktionsprozess von Massengut sich anteilige Abraumvolumina mit dem gewinnbaren Gesteinsgut vermischen und dadurch zu einer Qualitätsabsenkung bei den Endprodukten führen.Arnd Peschel: Natursteine. (=Nutzbare Gesteine und Industrieminerale), Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1983, S. 323. Zur Berechnung der Kosten je m³ Naturwerkstein wird die Divisionskalkulation angewendet, d. h., dass die direkt und die indirekt anfallenden Kosten für den Betrieb des Steinbruchs durch die gebrochene Menge des verwertbar gebrochenen Naturwerksteins in m³ dividiert wird.
Gewinnung von Naturwerkstein